естественный отбор не может адаптировать то, что не изменяется. К счастью, вариации могут возникать при репликации ДНК. Время от времени происходит мутация: происходит изменение в последовательности нуклеотидных оснований. Эти мутации происходят случайным образом из-за радиационного повреждения, химических агентов и просто из-за ошибок в процессе репликации ДНК. (Частота мутаций удивительно мала благодаря различным проверкам, которые происходят при репликации ДНК. После первой стадии репликации есть две стадии исправления ошибок: корректура и исправление несоответствий. Эти дополнительные стадии минимизируют частоту ошибок до 1 на 109.) Если ошибка происходит в части ДНК, кодирующей белок (подробнее об этом ниже), то мутировавшая ДНК будет производить другой белок. Обычно мутация будет вредной или, по крайней мере, нейтральной. Однако иногда новый белок будет лучше выполнять задачу, чем исходный белок, и мутация будет полезна для организма (и, возможно, увеличит вероятность выживания организма и, таким образом, благодаря увеличению числа потомков, его собственного дальнейшего существования). Мутации дают естественному отбору материал для работы.

Если бы все, что делали нуклеиновые кислоты, — это репликация, то они были бы лишь незначительно интереснее самореплицирующихся кристаллов. Хотя ДНК может хранить генетическую информацию, она была бы мало полезна, если бы информация не извлекалась и не использовалась. Это было бы похоже на публичную библиотеку, забитую книгами, но никому не разрешалось бы читать ни один из томов. Что делает нуклеиновые кислоты такими увлекательными, так это то, что они кодируют и конструируют белки. А белки — это то, что делает жизнь такой интересной. Белки позволяют жизни действовать.

Белки

Белки — это сложные макромолекулы, обладающие огромной универсальностью. Они функционируют как ферменты (которые делают возможным метаболизм клетки), они действуют как гормоны (таким образом, обеспечивая регуляторную функцию; инсулин — распространенный пример), и они обеспечивают структуру (наши ногти, волосы, мышцы и хрусталики глаз — все это белки).

Белок представляет собой длинную последовательность аминокислот, свернутую в трехмерную структуру. Определенная последовательность аминокислот сворачивается в определенную структуру. Измените последовательность, и вы измените способ сворачивания белка и, следовательно, задачу, которую белок может выполнять, поскольку биохимическая задача, которую может выполнять белок, критически зависит от его формы в трех измерениях. Белки используют двадцать различных аминокислот. Природа содержит много других аминокислот, и некоторые из них важны в биологии, но белки используют только двадцать. Все аминокислоты имеют общую структуру: аминогруппу (H2N), остаток или R-группу (CHR) и карбоксильную группу (COOH). Общая структура записывается как H2N−CHR−COOH, и цепь образуется путем связывания аминоконца с карбоксильным концом пептидными связями. (Цепь аминокислот, таким образом, называется полипептидом; белок — это просто один или несколько полипептидов.) Что делает каждую аминокислоту уникальной, так это боковая цепь R: разные аминокислоты имеют разные R-группы и, следовательно, обладают разными свойствами. Например, некоторые боковые цепи создают гидрофобную аминокислоту; такие аминокислоты имеют тенденцию скапливаться внутри белка и, таким образом, играют роль в определении трехмерной структуры молекулы. Другие боковые цепи делают аминокислоту гидрофильной — другими словами, она легко реагирует с водой.

Каждая аминокислота кодируется набором из трех нуклеотидных оснований РНК, называемым кодоном. Поскольку существует четыре основания (А, Ц, Г, У), существует 4×4×4=64 кодонов. Теоретически, таким образом, кодоны могли бы кодировать 64 аминокислоты, и все же только 20 различных аминокислот используются в синтезе белка. Генетический код, таким образом, вырожден: 3 кодона представляют собой команду «конец цепи», а остальные 61 кодон кодируют 20 аминокислот. Другими словами, почти все аминокислоты кодируются несколькими кодонами. Например, аминокислота цистеин кодируется кодонами УГУ и УГЦ; изолейцин кодируется кодонами АУУ, АУЦ и АУА; и так далее. Генетический код по сути универсален: за редкими исключениями и без учета недавних достижений синтетической биологии, упомянутых ранее, все организмы на Земле используют его. (Означает ли универсальность генетического кода, что это единственный возможный код? Возможно, изначально существовало несколько разных кодов, и этот просто победил остальные? Если нынешняя уникальность кода означает, что он возник только один раз в истории жизни, то, возможно, разработка эффективного кода представляет собой барьер для преодоления эволюцией — один из «трудных шагов» Картера? Мы бы узнали что-то о возможности внеземной жизни, если бы смогли найти примеры развития различных генетических кодов здесь, на Земле.)

Способ, которым клетка синтезирует белок, одновременно и удивительно прост, и изумительно сложен. Сильно упрощенная версия процесса протекает следующим образом.

Рис. 5.22 Молекула ДНК хранит генетическую информацию и реплицирует эту информацию при делении клетки. Экспрессия этой генетической информации не происходит напрямую. Вместо этого ДНК сначала транскрибируется в РНК. Информация, хранящаяся в «четырехбуквенном» алфавите нуклеотидов (алфавит, используемый РНК), затем транслируется в «двадцатибуквенный» алфавит аминокислот (которые используются для построения белков). Центральная догма биологии, впервые сформулированная Фрэнсисом Криком, заключается в том, что поток информации следует направлению стрелок на этой диаграмме. В частности, РНК может синтезировать белки посредством трансляции, но обратная трансляция никогда не происходит.

Информация о том, как строить белки организма и, следовательно, сам организм, содержится в его ДНК. Итак, во-первых, когда клетка получает сигнал с просьбой произвести определенный белок (и предположим, что белок представляет собой один полипептид), двойная спираль ДНК расплетается в области кодирующей цепи. Она похожа на матричную цепь, упомянутую выше, и содержит информацию для этого конкретного белка. Область ДНК, кодирующая полипептид (или, точнее, кодирующая некоторую форму РНК), известна как ген.

Копия гена в виде мРНК изготавливается в процессе транскрипции — так называемом потому, что каждый триплет в цепи ДНК транскрибируется в соответствующий кодон в мРНК. Затем мРНК перемещается из ядерного материала в цитоплазму клетки, неся с собой информацию о последовательностях аминокислот. В цитоплазме органеллы, называемые рибосомами, берут мРНК и используют информацию, содержащуюся в последовательности кодонов, для синтеза белка, добавляя аминокислоты к растущей цепи. Этот процесс называется трансляцией, поскольку рибосома использует генетический код для перевода последовательности кодонов в последовательность аминокислот. Ключевым ингредиентом здесь является тРНК — маленькие молекулы, каждая из которых может связываться только с определенной аминокислотой. Для катализа процесса связывания требуется ряд ферментов; каждый фермент распознает одну конкретную молекулу тРНК и соответствующую аминокислоту.

Синтез белка всегда начинается с метионина (с кодоном АУГ) и продолжается до тех пор, пока рибосома не встретит один из стоп-кодонов (УАА, УАГ или УГА), после чего белок высвобождается и синтез завершается. Это дает общее представление о синтезе белка, по крайней мере, для прокариотических клеток. В эукариотических клетках процесс дополнительно усложняется наличием последовательностей ДНК, которые ничего не кодируют. В эукариотических клетках требуется дополнительный шаг для удаления этой, казалось бы,